8.6 Барометрія

Базується на вимірюванні тиску або градієнта тиску рідини і (або) газу по стовбурі свердловини або в часі.

Застосовують барометрію для визначення абсолютних значень забійного і пластового тиску, оцінки депресії (репресії) на пласти, визначення гідростатичного градієнта тиску, а також густини і складу нерухомої суміші флюїдів по значеннях гідростатичного тиску, оцінки густини і складу рухомої суміші флюїдів.

Вимірювання виконують глибинними манометрами, які поділяють на такі, що вимірюють абсолютний тиск і диференціальні. Манометри у свою чергу поділяють також на манометри з автономною реєстрацією, які опускають в свердловину і залишають в заданому інтервалі на деякий час, і дистанційні, які працюють на геофізичному кабелі з наземним пультом.

Перетворювачі тиску можуть бути:

- п’єзокристалічні (кварцові, сапфірові);

- струнні і мембранні.

Вимірювання абсолютного тиску і їх змін проводять трьома способами:

- реєструючи зміну тиску у функції часу на фіксованих точках глибини;

- реєструючи стаціонарне поле тиску по стовбурі свердловини як функцію глибини;

- реєструючи нестаціонарне поле тиску по стовбурі як функцію глибини і часу.

Реєстрацію зміни тиску як функцію часу проводять при флуктуаційних вимірюваннях або при гідродинамічних дослідженнях пластів. Для цього прилад встановлюють напроти крівлі або дещо вище ніж випробовуваний об’єкт.

При реєстрації розподілу тиску як функцію глибини, основним інформаційним параметром є вертикальний градієнт тискуΔP/ΔHcosі, де ΔP – зміна тиску на одиницю глибини свердловини ΔH; і – кут нахилу свердловини.

Диференціальні манометри застосовують для вимірювання різниці гідростатичного тиску на базі, що дорівнює 1 м. Його дані застосовуються для кількісних визначень густини флюїду в стовбурі простоюючої свердловини.

Обмеження широкого впровадження барометрії обумовлені впливом на покази манометрів нестаціонарних процесів в свердловині, температури середовища, структури газорідинного потоку.

Контрольні запитання

1. В чому фізична суть методу припливометрії та задачі, що вирішують за її допомогою?

2. Що таке дебітометрія свердловин та задачі, що вирішують за її допомогою?

3. Які методи, що використовують при визначенні складу флюїдів у стовбурі свердловини?

4. В чому фізична суть, методика проведення та задачі механічної витратометрії?

5. Сформулюйте фізичну суть, методику проведення та задачі нахилометрії?

6. Які методи використовують для встановлення притоку води до свердловини?

9 Контроль якості цементування колон і труб у свердловині

Після закінчення буріння в свердловину, як правило, опускають обсадні колони, а затрубний простір між стінкою свердловини та зовнішньою поверхнею колони заливають цементом. Цементування затрубного простору здійснюють для запобігання перетоків різних флюїдів із одного пласта в інший.

Про високу якість цементування обсаджених колон свідчать наступні показники:

- відповідність підйому цементу в затрубному просторі проектній висоті його підйому;

- наявність цементу в затрубному просторі у твердому стані;

- рівномірний розподіл цементу в затрубному просторі;

- відсутність каналів, тріщин і каверн у цементному камені;

- достатньо надійне зчеплення цементу з колоною та породою.

Контроль за якістю цементування обсадних колон здійснюють за даними методів термометрії, гамма-гамма-каротажу, радіоактивних ізотопів і акустичного каротажу.

Визначення місця знаходження цементу в затрубному просторі за даними методу термометрії свердловини засновано на фіксуванні тепла, яке виділяється при затвердіванні цементу. Метод дозволяє встановити верхню межу цементного кільця та виявити наявність цементу в затрубному просторі.

Зацементований інтервал відмічають за повищеними значеннями температури на фоні загального поступового збільшення її з глибиною і розчленованою кривої термометрії в порівнянні з кривою проти незацементованих ділянок свердловини (рис. 9.1, 9.2).

Рівень цементу за термограмою встановлюєть на 5-10 м нижче за початок підйому кривої, враховуючи розповсюдження тепла вздовж свердловини.

Величина температурної аномалії навпроти цементного кільця визначається наступними факторами:

- фізико-хімічними властивостями цементу та його кількістю в даному інтервалі;

- часом, що пройшов з моменту цементування до початку вимірювань;

- геологічними та технічними умовами проведення тампонажних робіт.

І-цемент рівномірно заповнює заколоний простір; ІІ-ІV- цемент нерівномірно заповнює заколоний простір за рахунок її ексцентричності

Рисунок 9.1 – Визначення рівня підйому цементу за даними термометрії та гамма-гамма каротажу

1 – цемент; 2 – розчин; I-II – вимірювання до та після закачування ізотопів

Рисунок 9.2 – Виявлення якості цементування обсадної колони за даними термометрії і методу ізотопів

Максимальні зміни температури при екзотермічній реакції, яка супроводжує затвердівання цементу, спостерігають в інтервалі 6-24 години після закінчення заливання цементу.

У інтервалі знаходження цементу диференціація температурної кривої обумовлена літологією і кавернозністю розрізу. Як правило, пісчаним та карбонатним породам належать понижені температурні аномалії, глинистим – підвищені із-за відмінності їх теплових опорів. Крім того, в глинистих породах цей ефект підсилюється за рахунок утворення каверн, заповнених цементом.

Недоліки методу термометрії при контролі якості цементування:

- залежність від часу проведення вимірювання після заливання цементу (екзотермічний ефект зникає на протязі 2 діб);

- мала ефективність повторних вимірювань через нівелювання температурних аномалій внаслідок перемішування рідини в стовбурі свердловини;

- складність відбиття цементного кільця при високій температурі навколишніх порід на великих глибинах (глибше 2000 м);

- неможливість контролю характеру розподілу цементу за колоною і ступеня зчеплення його з колоною та породами.

Застосування гамма-гамма каротажу для оцінки якості цементу засновано на реєстрації розсіяного гамма-випромінювання при проходження гамма-квантів через середовище різної густини. Оскільки цементний камінь і промивна рідина значно відрізняються за густиною, а інтенсивність вторинного гамма-випромінювання знаходиться у зворотній залежності від густини, то за кривою ГГК достатньо чітко виділяють ділянки з цементом і без нього. Окрім цього гамма-гамма-каротаж дозволяє: 

- встановити висоту підйому цементу;

- визначити наявність цементу та характер його розподілу в інтервалі цементування;

- зафіксувати наявність перехідної зони від цементного каменя до розчину (гель-цементу);

- виявити в цементному камені невеликі раковини та канали;

- визначити ексцентриситет колони.

Для контролю якості цементування обсаджених колон використовують одноканальну апаратуру з реєстрацією однієї кривої ГГК, трьохканальну з реєстрацією трьох кривих ГГК (три індикатори розміщенні під кутом 120), чотирьохканальну з реєстрацією чотирьох кривих ГГК (чотири індикатори розміщені під кутом 90).

Одноканальну апаратуру застосовують із зондом, що колімований за радіальним кутом в межах 30-50 і який обертається в процесі вимірювань із заданою кутовою швидкістю при підйомі приладу.

При використанні трьохканального цементоміра всі три криві ГГК записують одночасно. При інтерпретації отриманих даних можливі наступні варіанти:

- криві ГГК співпадають, тобто покази I_ однакові (див. рис. 9.1, б, I); в даному випадку колона центрована та затрубний простір повністю заповнений цементом або промивною рідиною;

- дві криві ГГК співпадають і характеризуються більш високими значеннями I_, ніж третя (див. рис. 9.1, б, II); в даному випадку колона розміщена ексцентрично;

- дві криві ГГК співпадають і характеризуються більш низькими значеннями I_, ніж третя (див. рис. 9.1, б, III), колона ексцентрична, два датчики розміщені поблизу стінки свердловини, і їх покази обумовлені, в основному, впливом гірських порід, покази третьої кривої пов’язані головним чином з впливом цементу; така ж картина буде спостерігатись і при односторонньому заливанні кільцевого простору цементом;

- всі три криві ГГК не співпадають (див. рис. 9.1, б, IV); в даному випадку колона ексцентрична або має місце одностороннього заливання цементу.

При застосуванні методу радіоактивних ізотопів для оцінки якості цементу визначають:

- висоту подйому цементу;

- наявність цементу та характер його розподілу в затрубному просторі;

- наявність в цементному камені каналів.

Наявність цементу в затрубному просторі і його рівень подйому відмічають за повищеними значеннями гамма-активності на повторній кривій ГК за рахунок добавлення в цементний розчин радіоактивних ізотопів (див. рис. 9.2). Для більш впевненої інтерпретації реєструють первину (контрольну) криву ГК до закачування активованого цементу.

Для активації цементу застосовують короткоживучі изотопи ¹³¹І, ⁵⁹Fе, ⁹⁵Zr, ⁶⁵Zn, ²²²Rn. Якщо вимагається визначити лише висоту підйому цементу, то активують тільки його першу порцію.

Недолік методу радіоактивних ізотопів – необхідність дотримувати особливі правила техніки безпеки.

Контроль цементування затрубного простору акустичним каротажем заснований на вимірюванні амплітуди заломленої поздовжньої хвилі, яка розповсюджується в обсадній колоні, та реєстрації часу розповсюдження пружних коливань.

Метод дозволяє:

- встановити висоту підйому цементу;

- виявити наявність або відсутність цементу за колоною;

- визначити наявність каналів, тріщин і каверн у цементному камені, в тому числі малих розмірів;

- вивчити степінь щеплення цементу з колоною та породами;

- дослідити процес формування цементного каменя в часі.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень встановлено наступне:

- при відсутності зчеплення цементу з обсадною колоною амплітуда трубної хвилі буде максимальною, амплітуда поздовжньої хвилі в породі – мінімальною (рис. 9.3);

Рисунок 9.3 – Приклад визначення якості цементування за даними АК

- на надійний контакт цементу з обсадною колоною вказує відсутність трубної хвилі, при цьому величина амплітуди на діаграмі мінімальна; якщо швидкість розповсюдження пружних хвиль у породі більша, ніж в трубі, на кривій може виникнути додаткова аномалія; для виключення неоднозначності в інтервалі реєструють криву інтервального часу розповсюдження пружних хвиль;

- у випадку неповного зчеплення цементу з колоною на осцилограмі може бути зафіксована в першому вступі трубна хвиля проміжної амплітуди.

Для вимірювання амплітуди коливань поздовжньої хвилі, що йде в колоні, інтервального часу розповсюдження поздовжньої хвилі розроблені акустичні цементоміри типу АКЦ.

Надійність визначення якості цементування обсадних колон підвищується, якщо одночасно із записом кривих акустичним цементоміром фотографувати хвильові картинки, що отримують цим же цементоміром (рис. 9.4).

Якість цементування за хвильовими картинах оцінюється за наступними ознаками:

- незацементовану колону за хвильовою картинкою відмічають могутнім довго не затухаючим сигналом трубних хвиль, що приходить за час Тк (див. рис. 9.3); час Тк для бази 2,5 м залежно від діаметра колони і физико-хімічних властивостей рідини в свердловині може змінюватися від 500 до 650 мкс (рис. 9.4, в, к.1).

- хороша якість цементування обсадних колон (надійне зчеплення цементного каменя з породою і колоною) в низько швидкісному розрізі відмічають за хвильовою картинкою вельми малою амплітудою Ак і значною амплітудою Ап:типи хвиль в цьому випадку виразно розподіляють за часом їх вступу (рис. 9.4, в, к. 5);

- у високошвидкісних розрізах, де розрізнити однозначно хвилі, що розповсюджуються по породі і по колоні, тільки за часом їх вступу важко, оцінити якість цементування обсадних колон допомагає частотна характеристика хвиль; встановлено, що частота поздовжніх хвиль в породах зростає із збільшенням швидкості їх розповсюдження, проте у всіх випадках залишається нижче за частоту хвилі, що розповсюджується по колоні; хороша якість цементування обсадних колон у високошвидкісному розрізі відрізняється на хвильовій картині неспотвореним імпульсом поздовжньої хвилі по породі; (рис. 9.4, в. к. 6, 7).

1 – вапняк; 2 – вапняк глинистий; 3 – мергель; 4 – глина; 5 – цемент; 6 – промивна рідина; 7 – колона

Хвилі: I – по колоні; II – по породі; III – по промивній рідині в обсадній колоні; К – колона; В.к. – хвильова картинка; А – ділянка незцементованої колони; Б – частково зацементована колона;

В – повністю зацементована колона

Рисунок 9.4 – Визначення якості цементування за хвильовими картинками

- у випадках, коли величина амплітуди поздовжної хвилі по колоні А_к перевищує критичне значення і не вдається виділити хвилі по породі за наявності хвилі з частотою 25-30 кГц, вступаючої на часах більше 1300 мкс а також за відсутності кореляції значень амплітуд А_п із значенями їх в необсадженій свердловині, затрубний простір не герметичний або його герметичність невизначена (випадок часткового цементування) (рис. 9.4, в, к. 2, 3).